Evaluation of the geometry for remote river rating in hydrodynamic environments
Creators
- 1. Delft University of Technology
- 2. University of Zimbabwe
- 3. University of Zambia
- 4. Deltares
Description
Abstract. Rapid modern technological advancements have led to significant improvements in river monitoring using Unmanned Aerial vehicles (UAVs). These UAVs allow for the collection of flow geometry data in environments that are difficult to access. Hydraulic models may be constructed from these data, which in turn can be used for various applications such as water management, forecasting, early warning and disaster preparedness by responsible water authorities, and construction of river rating curves. We hypothesize that the reconstruction combined with Real Time Kinematic Global Navigation Satellite System (RTK GNSS) equipment leads to accurate geometries particularly fit for hydraulic understanding and simulation models. This study sought to (1) compare open source and commercial photogrammetry packages to verify if water authorities with low resource availability have the option to utilise these without significant compromise on accuracy; (2) assess the impact of variations in the number of Ground Control Points (GCPs) and the distribution of the GCP markers on the quality of Digital Elevation Models (DEMs), with a particular emphasis on characteristics that impact on hydraulics; and (3) investigate the impact of variations in DEMs on flow estimations based on the number of GCPs used. We tested our approach over a section of the Luangwa River in Zambia. We compare performance of two different photogrammetry software packages, one being open-source and one commercial; then compare for one chosen package the performance with different GCP numbers and distributions, and finally, emphasize on the reconstruction of hydraulically important parameters. The first investigation (1) utilises the root mean square error (RMSE) method to determine if open source software performs as well as commercial software. The second task (2) aimed to assess the optimal GCP number and distribution; we generated 10 UAV based elevation models under varying GCP distribution conditions using OpenDroneMap (ODM) software. To benchmark the different DEM reconstructions we assessed the Mean Absolute Error of the elevation using the GCPs that were left out of the reconstruction. Finally (3), in order to investigate the impact of variations in DEMs on flow estimations we performed a comparison of the hydraulic conveyance across each reconstruction, as well as a comparison of the hydraulic slope against an independent estimate using an in-situ RTK GNSS tie line. Results indicate that the open-source software photogrammetry package is capable of producing results that are comparable to commercially available options. We determined that GCPs are essential for vertical accuracy, but also that an increase in the number of GCPs above a limited amount of 5 only moderately increases the accuracy of results, provided the GCPs are well spaced both in horizontal and vertical dimension. Furthermore, insignificant differences in hydraulic geometries among the various cross sections are observed, corroborating the fact that a limited well-spaced set of GCPs is enough to establish a hydraulically sound reconstruction. This is important so that future studies do not invest in procedures that may be costly, but may not contribute significantly to the improvement of desired results. The hydraulic slope was shown to be prone to errors caused by lens distortion. These errors are too large to enable use in a hydraulic model setup. We therefore recommend to combine photogrammetry results with a RTK GNSS tie line when reconstructions are to be used for hydraulic model setup.
Translated Descriptions
Translated Description (Arabic)
الخلاصة. أدت التطورات التكنولوجية الحديثة السريعة إلى تحسينات كبيرة في مراقبة الأنهار باستخدام المركبات الجوية بدون طيار. تسمح هذه الطائرات بدون طيار بجمع بيانات هندسة التدفق في البيئات التي يصعب الوصول إليها. يمكن بناء النماذج الهيدروليكية من هذه البيانات، والتي يمكن استخدامها بدورها في تطبيقات مختلفة مثل إدارة المياه والتنبؤ والإنذار المبكر والتأهب للكوارث من قبل سلطات المياه المسؤولة، وبناء منحنيات تصنيف الأنهار. نحن نفترض أن إعادة الإعمار جنبًا إلى جنب مع معدات النظام العالمي لسواتل الملاحة الحركية في الوقت الحقيقي (RTK GNSS) تؤدي إلى هندسة دقيقة مناسبة بشكل خاص للفهم الهيدروليكي ونماذج المحاكاة. سعت هذه الدراسة إلى (1) مقارنة حزم المسح التصويري مفتوحة المصدر والتجارية للتحقق مما إذا كان لدى سلطات المياه ذات توافر الموارد المنخفضة خيار استخدامها دون المساومة بشكل كبير على الدقة ؛ (2) تقييم تأثير الاختلافات في عدد نقاط التحكم الأرضية (GCPs) وتوزيع علامات GCP على جودة نماذج الارتفاع الرقمية (DEMs)، مع التركيز بشكل خاص على الخصائص التي تؤثر على المكونات الهيدروليكية ؛ و (3) التحقيق في تأثير الاختلافات في DEMs على تقديرات التدفق بناءً على عدد نقاط التحكم الأرضية المستخدمة. اختبرنا نهجنا على جزء من نهر لوانغوا في زامبيا. نقارن أداء حزمتين مختلفتين من برامج المسح التصويري، إحداهما مفتوحة المصدر والأخرى تجارية ؛ ثم نقارن الأداء لحزمة واحدة تم اختيارها مع أرقام وتوزيعات GCP المختلفة، وأخيرًا، نؤكد على إعادة بناء المعلمات المهمة هيدروليكيًا. يستخدم التحقيق الأول (1) طريقة الخطأ التربيعي لمتوسط الجذر (RMSE) لتحديد ما إذا كانت البرامج مفتوحة المصدر تعمل بالإضافة إلى البرامج التجارية. هدفت المهمة الثانية (2) إلى تقييم العدد والتوزيع الأمثل لـلبرنامج العالمي للطائرات بدون طيار ؛ حيث أنشأنا 10 نماذج ارتفاع قائمة على الطائرات بدون طيار في ظل ظروف توزيع مختلفة للبرنامج العالمي للطائرات بدون طيار باستخدام برنامج OpenDroneMap (ODM). لقياس عمليات إعادة بناء نموذج الطلب المختلفة، قمنا بتقييم متوسط الخطأ المطلق للارتفاع باستخدام نقاط التحكم الأرضية التي تم استبعادها من عملية إعادة البناء. أخيرًا (3)، من أجل التحقيق في تأثير الاختلافات في DEMs على تقديرات التدفق، أجرينا مقارنة بين النقل الهيدروليكي عبر كل عملية إعادة بناء، بالإضافة إلى مقارنة المنحدر الهيدروليكي مقابل تقدير مستقل باستخدام خط ربط RTK GNSS في الموقع. تشير النتائج إلى أن حزمة المسح التصويري للبرمجيات مفتوحة المصدر قادرة على تحقيق نتائج مماثلة للخيارات المتاحة تجاريًا. لقد قررنا أن نقاط التحكم الأرضية ضرورية للدقة الرأسية، ولكن أيضًا أن الزيادة في عدد نقاط التحكم الأرضية فوق كمية محدودة من 5 تزيد فقط بشكل معتدل من دقة النتائج، بشرط أن تكون نقاط التحكم الأرضية متباعدة بشكل جيد في كل من البعد الأفقي والرأسي. علاوة على ذلك، لوحظت اختلافات ضئيلة في الأشكال الهندسية الهيدروليكية بين المقاطع العرضية المختلفة، مما يؤكد حقيقة أن مجموعة محدودة من نقاط التحكم الأرضية المتباعدة بشكل جيد كافية لإنشاء إعادة بناء سليمة هيدروليكيًا. وهذا أمر مهم حتى لا تستثمر الدراسات المستقبلية في الإجراءات التي قد تكون مكلفة، ولكنها قد لا تسهم بشكل كبير في تحسين النتائج المرجوة. تبين أن المنحدر الهيدروليكي عرضة للأخطاء الناجمة عن تشوه العدسة. هذه الأخطاء كبيرة جدًا بحيث لا يمكن استخدامها في إعداد النموذج الهيدروليكي. لذلك نوصي بدمج نتائج المسح التصويري مع خط ربط RTK GNSS عند استخدام عمليات إعادة البناء لإعداد النموذج الهيدروليكي.Translated Description (French)
Résumé. Les progrès technologiques rapides et modernes ont conduit à des améliorations significatives dans la surveillance des rivières à l'aide de véhicules aériens sans pilote (UAV). Ces UAV permettent la collecte de données de géométrie d'écoulement dans des environnements difficiles d'accès. Des modèles hydrauliques peuvent être construits à partir de ces données, qui peuvent à leur tour être utilisées pour diverses applications telles que la gestion de l'eau, la prévision, l'alerte précoce et la préparation aux catastrophes par les autorités responsables de l'eau, et la construction de courbes d'évaluation des rivières. Nous émettons l'hypothèse que la reconstruction combinée avec l'équipement RTK GNSS (Real Time Kinematic Global Navigation Satellite System) conduit à des géométries précises particulièrement adaptées à la compréhension hydraulique et aux modèles de simulation. Cette étude visait à (1) comparer les progiciels de photogrammétrie open source et commerciaux pour vérifier si les autorités de l'eau à faible disponibilité des ressources ont la possibilité de les utiliser sans compromis significatif sur la précision ; (2) évaluer l'impact des variations du nombre de points de contrôle au sol (GCP) et de la distribution des marqueurs GCP sur la qualité des modèles numériques d'élévation (DEM), en mettant l'accent sur les caractéristiques qui ont un impact sur l'hydraulique ; et (3) étudier l'impact des variations des DEM sur les estimations de débit en fonction du nombre de GCP utilisés. Nous avons testé notre approche sur une section de la rivière Luangwa en Zambie. Nous comparons les performances de deux progiciels de photogrammétrie différents, l'un étant open source et l'autre commercial, puis comparons pour un progiciel choisi les performances avec différents numéros et distributions GCP, et enfin, insistons sur la reconstruction de paramètres hydrauliquement importants. La première enquête (1) utilise la méthode de l'erreur quadratique moyenne (RMSE) pour déterminer si le logiciel open source fonctionne aussi bien que le logiciel commercial. La deuxième tâche (2) visait à évaluer le nombre et la distribution optimaux des GCP ; nous avons généré 10 modèles d'élévation basés sur les UAV dans différentes conditions de distribution des GCP à l'aide du logiciel OpenDroneMap (ODM). Pour comparer les différentes reconstructions DEM, nous avons évalué l'erreur absolue moyenne de l'élévation en utilisant les GCP qui ont été laissés en dehors de la reconstruction. Enfin (3), afin d'étudier l'impact des variations des DEM sur les estimations de débit, nous avons effectué une comparaison du transport hydraulique à travers chaque reconstruction, ainsi qu'une comparaison de la pente hydraulique avec une estimation indépendante à l'aide d'une ligne de raccordement GNSS RTK in situ. Les résultats indiquent que le logiciel open-source de photogrammétrie est capable de produire des résultats comparables aux options disponibles dans le commerce. Nous avons déterminé que les BPC sont essentiels pour la précision verticale, mais aussi qu'une augmentation du nombre de BPC au-dessus d'une quantité limitée de 5 n'augmente que modérément la précision des résultats, à condition que les BPC soient bien espacés à la fois en dimension horizontale et verticale. En outre, des différences insignifiantes dans les géométries hydrauliques entre les différentes sections transversales sont observées, corroborant le fait qu'un ensemble limité de BPC bien espacés est suffisant pour établir une reconstruction hydrauliquement saine. Ceci est important pour que les études futures n'investissent pas dans des procédures qui peuvent être coûteuses, mais qui peuvent ne pas contribuer de manière significative à l'amélioration des résultats souhaités. Il a été démontré que la pente hydraulique était sujette aux erreurs causées par la distorsion de la lentille. Ces erreurs sont trop importantes pour permettre une utilisation dans une configuration de modèle hydraulique. Nous recommandons donc de combiner les résultats de photogrammétrie avec une ligne d'attache GNSS RTK lorsque les reconstructions doivent être utilisées pour la configuration du modèle hydraulique.Translated Description (Spanish)
Resumen. Los rápidos avances tecnológicos modernos han llevado a mejoras significativas en el monitoreo de ríos utilizando vehículos aéreos no tripulados (UAV). Estos UAV permiten la recopilación de datos de geometría de flujo en entornos de difícil acceso. Los modelos hidráulicos se pueden construir a partir de estos datos, que a su vez se pueden utilizar para diversas aplicaciones, como la gestión del agua, la previsión, la alerta temprana y la preparación para desastres por parte de las autoridades responsables del agua, y la construcción de curvas de clasificación de ríos. Presumimos que la reconstrucción combinada con el equipo del Sistema Global de Navegación por Satélite Cinemático en Tiempo Real (RTK GNSS) conduce a geometrías precisas particularmente adecuadas para la comprensión hidráulica y los modelos de simulación. Este estudio buscó (1) comparar los paquetes de fotogrametría de código abierto y comercial para verificar si las autoridades hídricas con baja disponibilidad de recursos tienen la opción de utilizarlos sin comprometer significativamente la precisión; (2) evaluar el impacto de las variaciones en el número de Puntos de Control Terrestre (GCP) y la distribución de los marcadores de GCP en la calidad de los Modelos Digitales de Elevación (DEM), con un énfasis particular en las características que impactan en la hidráulica; y (3) investigar el impacto de las variaciones en los DEM en las estimaciones de flujo basadas en el número de GCP utilizados. Probamos nuestro enfoque en una sección del río Luangwa en Zambia. Comparamos el rendimiento de dos paquetes de software de fotogrametría diferentes, uno de código abierto y otro comercial; luego comparamos para un paquete elegido el rendimiento con diferentes números y distribuciones de GCP, y finalmente, enfatizamos en la reconstrucción de parámetros hidráulicamente importantes. La primera investigación (1) utiliza el método del error cuadrático medio (RMSE) para determinar si el software de código abierto funciona tan bien como el software comercial. La segunda tarea (2) tuvo como objetivo evaluar el número y la distribución óptimos de GCP; generamos 10 modelos de elevación basados en UAV bajo diferentes condiciones de distribución de GCP utilizando el software OpenDroneMap (ODM). Para comparar las diferentes reconstrucciones de DEM, evaluamos el error absoluto medio de la elevación utilizando las GCP que quedaron fuera de la reconstrucción. Finalmente (3), para investigar el impacto de las variaciones en los DEM en las estimaciones de flujo, realizamos una comparación del transporte hidráulico en cada reconstrucción, así como una comparación de la pendiente hidráulica con una estimación independiente utilizando una línea de unión RTK GNSS in situ. Los resultados indican que el paquete de fotogrametría de software de código abierto es capaz de producir resultados que son comparables a las opciones disponibles comercialmente. Determinamos que las GCP son esenciales para la precisión vertical, pero también que un aumento en el número de GCP por encima de una cantidad limitada de 5 solo aumenta moderadamente la precisión de los resultados, siempre que las GCP estén bien espaciadas tanto en dimensión horizontal como vertical. Además, se observan diferencias insignificantes en las geometrías hidráulicas entre las diversas secciones transversales, lo que corrobora el hecho de que un conjunto limitado de GCP bien espaciados es suficiente para establecer una reconstrucción hidráulicamente sólida. Esto es importante para que los estudios futuros no inviertan en procedimientos que pueden ser costosos, pero que pueden no contribuir significativamente a la mejora de los resultados deseados. Se demostró que la pendiente hidráulica es propensa a errores causados por la distorsión de la lente. Estos errores son demasiado grandes para permitir su uso en una configuración de modelo hidráulico. Por lo tanto, recomendamos combinar los resultados de la fotogrametría con una línea de unión RTK GNSS cuando se vayan a utilizar reconstrucciones para la configuración del modelo hidráulico.Files
gi-11-1-2022.pdf.pdf
Files
(9.5 MB)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:38e6cab6bc704b1726e6b81008bf25ed
|
9.5 MB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- تقييم هندسة تصنيف النهر البعيد في البيئات الهيدروديناميكية
- Translated title (French)
- Évaluation de la géométrie pour l'évaluation de la rivière à distance dans des environnements hydrodynamiques
- Translated title (Spanish)
- Evaluación de la geometría para la clasificación remota de ríos en entornos hidrodinámicos
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W3182635041
- DOI
- 10.5194/gi-2021-22